气-汽对流传热综合实验

1、气-汽对流传热综合实验一、 实验目的1、掌握对流传热系数的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解；2. 确定强制对流传热准数关联式中常数；3. 通过对强化套管换热器的实验研究，了解强化传热的基本理论和基本方式。二、 实验原理本实验采用套管换热器, 以环隙内流动的饱和水蒸汽加热管内空气，水蒸汽和空气间的传热过程由三个传热环节组成：水蒸汽在管外壁的冷凝传热，管壁的热传导以及管内空气对管内壁的对流传热。本实验装置采用两组套管换热器，即光滑套管换热器及强化套管换热器。强化传热又被学术界称为第二代传热技术，它能减小初设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量；提高现有换热器的换热能力；使换热器能在较低温差

2、下工作；并且能够减少换热器的阻力以减少换热器的动力消耗，更有效地利用能源和资金。强化传热的方法有多种，本实验装置是采用在换热器内管插入螺旋线圈的方法来强化传热的。图1 螺旋线圈内部结构 螺旋线圈的结构图如图1所示，螺旋线圈由直径3mm以下的铜丝和钢丝按一定节距绕成。将金属螺旋线圈插入并固定在管内，即可构成一种强化传热管。在近壁区域，流体一面由于螺旋线圈的作用而发生旋转，一面还周期性地受到线圈的螺旋金属丝的扰动，因而可以使传热强化。由于绕制线圈的金属丝直径很细，流体旋流强度也较弱，所以阻力较小，有利于节省能源。螺旋线圈是以线圈节距H与管内径d的比值技术参数，且长径比是影响传热效果和阻力系数的重要

3、因素。三、 实验装置实验装置如图2所示，主要结构参数如表1所示。 说明：1、蒸汽发生器为电加热釜，使用容积为5升，内装有一支2.5kw的螺电热器，与一储水釜相连（实验过程中要保持储水釜中液位不要低于釜的二分之一，防止加热器干烧）；2、空气进出口温度采用电偶电阻温度计测得，由多路巡检表以数值形式显示。壁温采用热电偶温度计测量；3、旋涡气泵型号为XGB2，由无锡市仪表二厂生产，电机功率约0.75 KW（使用三相电源），在本实验装置上，产生的最大和最小空气流量基本满足要求，使用过程中，输出空气的温度呈上升趋势。图2 空气-水蒸气传热综合实验装置流程图1-液位管;；2-储水罐；3-排水阀；4-蒸汽发生

4、器；5-强化套管蒸汽进口阀；6-光滑套管蒸汽进口阀；7-光滑套管换热器；8-强化套管换热器；9-光滑套管蒸汽出口；10-强化套管蒸汽出口；11-光滑套管空气进口阀；12-强化套管空气进口阀；13-孔板流量计；14-空气旁路调节阀；15-旋涡气泵表1实验装置结构参数实验内管内径di（mm）20.00实验内管外径do（mm）22.0实验外管内径Di（mm）50实验外管外径Do（mm）57.0测量段（紫铜内管）长度L（m）1.20强化内管内插物（螺旋线圈）尺寸丝径h（mm）1节距H（mm）40加热釜操作电压200伏 操作电流10安四、实验方法及步骤1.实验前的准备，检查工作： 向储水罐中加水至液位计

5、上端处。 检查空气流量旁路调节阀是否全开。 检查蒸气管支路各控制阀是否已打开，保证蒸汽和空气管线的畅通。 接通电源总闸，设定加热电压，启动电加热器开关，开始加热。2. 实验开始：（1）关闭通向强化套管的阀门5，打开通向光滑套管的阀门6，当光滑套管换热器的放空口9有水蒸气冒出时，可启动风机，此时要关闭阀门12，打开阀门11。在整个实验过程中始终保持换热器出口处有水蒸气冒出。（2）启动风机后用放空阀14来调节流量，调好某一流量后稳定3-5分钟后，分别测量空气的流量，空气进、出口的温度及壁面温度。然后，改变流量测量下组数据。一般从小流量到最大流量之间，要测量56组数据。（3） 做完光滑套管换热器的数

6、据后，要进行强化管换热器实验。先打开蒸汽支路阀5，全部打开空气旁路阀14，关闭蒸汽支路阀6，打开空气支路阀12,关闭空气支路阀11，进行强化管传热实验。实验方法同步骤（2）。（4）实验结束后，依次关闭加热电源、风机和总电源。一切复原。3.注意事项（1）检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内。特别是每个实验结束后，进行下一实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。（2）必须保证蒸汽上升管线的畅通。即在给蒸汽加热釜电压之前，两蒸汽支路阀门之一必须全开。在转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭另一侧，且开启和关闭阀门必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。（3）必须保证空气管线的畅通。即在

7、接通风机电源之前，两个空气支路控制阀之一和旁路调节阀必须全开。在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭支路阀。（4）调节流量后，应至少稳定38分钟后读取实验数据。（5）实验中保持上升蒸汽量的稳定，不应改变加热电压，且保证蒸汽放空口一直有蒸汽放出。五、 实验数据记录将实验过程中所得数据记录在表2中，然后将数据整理后，记录在表3中，并说明其中一组数据的计算过程，即计算示例。 表1 实验记录：光滑管（或强化管）No.123456流量（Kpa)t1(）进口温度t2(）出口温度tw(）壁温 表1 实验记录：光滑管（或强化管）No.123456流量（Kpa)t1(）进口温度t2(）出口温度tw(）壁

8、温 表1 实验记录：光滑管No.123456流量（Kpa)1.55t1(）进口温度17.7t2(）出口温度51.7tw(）壁温99.3 表1 实验记录：强化管No.123456流量（Kpa)1.00t1(）进口温度24.7t2(）出口温度68.9tw(）壁温99.4 表2 数 据 整 理 ：光滑管（或强化管）No.123456流量（Kpa)1.55t1(）17.7t1(Kg/m3)1.185t2(）51.7tw(）99.3tm(）34.7tm(kg/m3)1.141tm(10-2)2.71Cp (tm)10051.88*t2-t1(）34(）64.6Vt1(m3/h)9.35V(m3/h)9.

9、90u(m/s)8.75Q(W)107（W/m2）21.98Re10621Nu16.22Pr0.697 表2 数 据 整 理 ：光滑管（或强化管）No.123456流量（Kpa)1.00t1(）24.7t1(Kg/m3)1.405t2(）68.9tw(）99.4tm(）46.8tm(kg/m3)1.111tm(10-2)2.80Cp (tm)10051.94*t2-t1(）44.2(）52.6Vt1(m3/h)8.79V(m3/h)9.44u(m/s)8.35Q(W)129.41（W/m2）32.65Re9564Nu23.32Pr0.696No.123456流量（Kpa)1.00t1(）进口温

10、度24.7t2(）出口温度68.9tw(）壁温99.42929六、 实验数据处理(一)光滑套管换热器传热系数及其准数关联式的确定 1.对流传热系数的测定在该传热实验中，空气走内管，蒸气走外管。对流传热系数可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定 （1）式中：管内流体对流传热系数，W/(m2)； Qi管内传热速率，W； Si管内换热面积，m2； 内壁面与流体间的温差，。 由下式确定： （2）式中：t1，t2 冷流体的入口、出口温度，； tw 壁面平均温度，； 因为换热器内管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为内壁温度、外壁温度和壁面平均温度近似相等，用tw 来表示。 管内换热面积： （3）式中

11、：di内管管内径，m； Li传热管测量段的实际长度，m。 由热量衡算式： （4）其中质量流量由下式求得： （5）式中：冷流体在套管内的平均体积流量，m3 / h； 冷流体的定压比热，kJ / (kg)； 冷流体的密度，kg /m3。 和可根据定性温度tm查得，为冷流体进出口平均温度。t1，t2， tw， 可采取一定的测量手段得到。2. 对流传热系数准数关联式的实验确定流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为 . （6） 其中： ， ， 物性数据、可根据定性温度tm查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为： （7）这样通过实验

12、确定不同流量下的与，然后在lgNulgRe双对数坐标系中用线性回归方法确定A和m的值。 3. 空气流量的测量： （8）其中，c0-孔板流量计孔流系数，c0=0.65 A0-孔的面积 m2 d0-孔板孔径 ， d0 =0.014 m -孔板两端压差，Kpa -空气入口温度（即 流量计处温度）下密度，Kg/m3。 （9）由于换热器内温度的变化，传热管内的体积流量需进行校正： （10）传热管内平均体积流量，m3/h；传热管内平均温度，。(二) 强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定 采用和光滑套管同样的处理数据方法，确定传热系数和准数关联式。为研究强化传热效果（不考虑阻力的影响），可以用强

13、化比的概念作为评判准则，其形式为：，其中Nu是强化管的努塞尔准数，Nu0是光滑管的努塞尔准数，显然，强化比1，而且它的值越大，强化效果越好。七、 思考题1、比较强化管和光滑管的努塞尔准数（计算强化比），并说明强化管强化传热的原因。2总传热速率方程为 ，其中总传热系数K与空气对流传热系数、蒸汽对流传热系数和内管导热系数都有关（忽略污垢热阻），但在本实验中： 。说明原因。 3、管内空气流动速度增大时，有何变化？说明原因。八、附录实验数据的计算过程举例： 1、光滑套管数据处理 孔板流量计压差计读数 =0.40 KPa，空气进口温度20.7 出口温度65.4 ，传热管壁面温度=99.7 (1)传热管内

14、径及流通截面积 20.00(),0.0200 (); 3.142(0.0200) 240.0003142（m2).(2)传热管有效长度 及传热面积 1.20 3.1420.021.200.07536(m2). (3)空气平均物性常数的确定先算出空气的定性温度， = 43.5（）在此温度下空气物性数据如下：平均密度 m 1.21(kg/m3)； 平均比热 Cpm1005 (JKgk)；平均导热系数 m0.0277(K)； 平均粘度 m0.0000193 ()； 空气流过换热器内管时平均体积流量和平均流速的计算孔板流量计体积流量（空气入口的体积流量）： =0.65*3.14*0.0142*3600

15、/4*=9.27（m3/h） 其中，c0-孔板流量计孔流系数，c0=0.65 A0-孔的面积 m2 d0-孔板孔径 ， d0 =0.014 m -孔板两端压差，pa -空气入口温度（即 流量计处温度）下密度，Kg/m3。 由于换热器内温度的变化，传热管内的体积流量需进行校正，则传热管内平均体积流量为： =10.00（m3/h） 传热管内平均体积流量，m3/h；传热管内平均温度，。平均流速:=8.85（m/s） 壁面和冷流体间的平均温度差的计算: = 99.743.5 = 56.65（） 传热速率139（W） 管内传热系数 40（W/m2） 各准数29=10377 其它组数据处理方法同上，数据结果见表2。 求关联式中的常